Переплавные процессы

Сортамент электрошлакового металла

Из металла ЭШП производят практически все виды проката, поковок, штамповок, прессовок, которые выпускают и из металла обычных методов выплавки. Существенное различие между этими видами продукции состоит прежде всего в более высоком и, что особенно важно, стабильном качестве переплавленного металла. У металла ЭШП есть еще одно важное преимущество — более высокий выход годного, более высокая технологичность при горячей и холодной деформации.

Плотная макроструктура слитка ЭШП, отсутствие дефектов ликвационного и усадочного происхождения, всевозможных пустот, рыхлот и, наконец, прекрасная гладкая поверхность, не требующая перед дальнейшим переделом никакой обработки или зачистки, предопределили существенное изменение геометрии самого слитка. Слиток ЭШП имеет правильную геометрическую форму без так называемой кюмпельной или хвостовой и головной частей. Если слиток выплавляется в стационарном кристаллизаторе, он, как правило, имеет некоторую конусность, необходимую для облегчения операции раздевания (рисунок 1, а). Если же переплав осуществляется при относительном перемещении кристаллизатора и слитка, последний, конусности не имеет (рисунок 1, б).

Схема получения слитков в стационарном кристаллизаторе (а) и при относительном перемещении кристаллизатора и слитка (б).
Рисунок 1 — Схема получения слитков в стационарном кристаллизаторе (а) и при относительном
перемещении кристаллизатора и слитка (б).

Исторически сложилось так, что на первом этапе освоения ЭШП в конце 50-х гг. передельные слитки для сортового проката имели только круглое сечение. Это обстоятельство можно объяснить, во-первых, относительной простотой изготовления кристаллизаторов из готовых медных труб (в то время наша промышленность уже выпускала медные прессованные трубы диаметром до 425 мм) и,
во-вторых, наличием некоторого опыта прокатки слитков ВДП, имевших только круглое сечение.

Из слитков ЭШП диаметром от 150 до 425 мм прокатывали прутки круглого сечения для последующего изготовления тел качения шариковых и роликовых подшипников, квадрат, полосу, трубную заготовку для последующей прошивки или прессования.

Известно, однако, что основным типом передельного слитка, идущего на обжимные и сортопрокатные станы, является слиток квадратного сечения. Поэтому по мере развития мощностей по ЭШП и увеличения развеса слитка был осуществлен переход от круглого сечения к квадратному (естественно, при этом пришлось перейти к кристаллизаторам сварной конструкции).

По условиям прокатного производства максимальное сечение слитка, обжимаемого на блюминге, не превышает 800 х 800 мм, а масса — 8—10 т. Поэтому и передельные слитки ЭШП сортового сортамента имеют массу и сечение не выше указанных. Наиболее распространен слиток ЭШП квадратным сечением от 400 до 600—650 мм. Имея такие слитки ЭШП, можно изготовить практически любой сортамент, любой профиль, получаемый из металла открытой выплавки.

Передельные слитки ЭШП круглого сечения, идущие на прокатку, составляют теперь лишь небольшую часть общего производства металла ЭШП. Они, как и раньше, чаще всего используются в трубном производстве.

Отдельную группу составляют слитки круглого сечения, имеющие полость. Такие полые слитки большей частью идут на последующий горячий передел, например на раскатку, раздачу, прессование, протяжку. Иногда их подвергают и различным видам холодной деформации. Однако все большее значение приобретает производство из металла ЭШП полых слитков круглого сечения, используемых в литом виде, т. е. без всякой деформации. По существу это уже не слитки, а трубы, подлежащие лишь некоторому технологическому переделу (зачистке, термической обработке, неразрушающему контролю, торцовке и т. д.). Сортамент таких слитков-труб достаточно широк — наружный диаметр изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен миллиметров, а внутренний диаметр назначается таким, чтобы в зависимости от требований толщина стенки составляла, например, 15—20 мм, но могла бы достигать и сотни миллиметров.

Не обязательно, чтобы полость такой трубы была круглой и коаксиальной. В зависимости от назначения труб, меняя соответствующим образом оснастку, можно получать слитки-трубы с любой фасонной полостью.

Строго говоря, нет никаких принципиальных трудностей в производстве методом ЭШП слитков-труб практически любого сортамента и любого диаметра. Такому виду слитков ЭШП, несомненно, принадлежит большое будущее.

В нашей стране впервые в мировой практике было организовано крупномасштабное производство горяче- и холоднокатаного листа из металла ЭШП. Сначала для этих целей использовали слитки квадратного и даже круглого сечения, так как еще не умели выплавлять слитки прямоугольного сечения (как известно, при ВДП и теперь не удается получать слитки прямоугольной формы).

С появлением бифилярных многоэлектродных печей ЭШП в 1966—1967гг. задача производства листовых слитков ЭШП любой массы и сечения была успешно решена.

Как известно, толщина листового слитка обычно не превышает 800 мм, что определяется конструкцией всех современных обжимных станов, высота листового слитка достигает 4—4,5м, а ширина — 2,5—3м. Самый крупный в мире листовой слиток ЭШП весит более 40 т и имеет при толщине 500 мм, ширине 2500 мм высоту более 4м. Из такого слитка прокатывают листы толщиной до 280 мм. Эти размеры и масса листового слитка ЭШП отнюдь не предельны.

Выше отмечалось, что металл ЭШП и в литом виде достаточно плотен и практически не нуждается в деформации. По этой причине нет необходимости подвергать большим обжатиям листовые слитки ЭШП. В случае передела слитков ЭШП следует разграничивать понятия «деформация» и «формоизменение». Главной задачей при переделе электрошлаковых слитков является придание металлу необходимых геометрических размеров и формы, а не обжатие его для повышения плотности и обеспечения заданных механических свойств. Именно поэтому в случае ЭШП нет необходимости стремиться к получению слитков большой толщины.

Наоборот, толщина листового слитка может быть минимальной, наиболее близкой к толщине будущего листа. Так, например, при прокатке на лист толщиной 70—80 мм достаточно иметь слиток толщиной 150 мм. Это фактически уже не листовой слиток, а слиток-сляб  и прокатывать его нужно только на листовом стане, минуя слябинг или другой обжимный стан.

Для повышения производительности печей ЭШП (как известно, этот показатель прямо пропорционален сечению слитка) слитки-слябы производят по двухручьевой схеме. Здесь имеется прямая аналогия между непрерывным литьем и ЭШП: чем меньше сечение отливаемой заготовки, тем больше должно быть число ручьев для обеспечения требуемой производительности агрегата.

Идея многоручьевого ЭШП полностью оправдала себя и в производстве сортовых слитков малого сечения, например 150 х 150 мм. В этом случае используют четырехручьевые печи ЭШП. Действительно, нецелесообразно выплавлять слитки крупного сечения и пропускать их через блюминг или заготовочныйстан, если можно пустить слиток ЭШП малого сечения непосредственно в сортопрокатный стан.

Значительный непрерывно возрастающий удельный вес в производстве металла ЭШП занимают кузнечные слитки. Первый кузнечный слиток диаметром 500 мм и массой до 2т получен на Ново-Краматорском машиностроительном заводе (НКМЗ) в Донбассе еще в 1958 г. Очень скоро выявилась замечательная особенность электрошлаковых кузнечных слитков: способность подвергаться прямой осадке, минуя предварительную вытяжку. Именно так стали изготавливать первые поковки из жаропрочных хромистых сталей для дисков компрессора газотурбинного двигателя.

С развитием ЭШП в тяжелом и энергетическом машиностроении непрерывно возрастала и масса кузнечного слитка. Первый в мире 10-тонный слиток ЭШП диаметром 1100 мм и высотой примерно
1,5м был получен на НКМЗ уже в 1961г.  Затем диаметр слитка был увеличен последовательно до 1300, 1500 и 1700мм, а масса — соответственно до 17, 30 и 40 т. При диаметре 1800—2300 мм масса кузнечного слитка ЭШП достигла 100—160 т; на очереди слиток массой до 200т.

Типичная для кузнечных слитков ЭШП форма правильного цилиндра или усеченного конуса (с весьма небольшой конусностью) уступила место многогранной форме. Выход годного благодаря малой донной и головной обрези электрошлакового кузнечного слитка примерно вдвое выше, чем при переделе обычного кузнечного слитка. Это очень важно, поскольку слиток ЭШП массой 150—200т может быть использован для получения заготовки, требующей наличия слитка обычного производства массой соответственно не менее 300—450т. Если учесть значительно более высокое качество металла ЭШП по сравнению с металлом обычной выплавки, то станет ясно, почему во всем мире придается самое серьезное значение созданию мощностей по производству сверхкрупных кузнечных слитков ЭШП. Такие слитки совершенно необходимы для изготовления заготовок валов роторов сверхмощных альтернаторов, роторов паровых турбин тепловых и атомных электростанций, опорных валков уникальных толстолистовых прокатных станов с длиной точки более 5 м, валков листосгибочных машин и т. д.

Вместе с тем можно и нужно идти не только по пути получения моноблочных заготовок, но и использовать современные достижения сварочной техники, т. е. ориентироваться на укрупнение заготовок за счет электрошлаковой сварки между собой слитков ЭШП или поковок из нихотносительно меньшей массы, например до 100—150 т.

Итак, современный сортамент металла ЭШП практически охватывает все известные нынешней технике виды проката и поковок, все виды и классы сталей, начиная от ферритных и кончая аустенитными. В первые годы ЭШП подвергали преимущественно дорогие высоколегированные стали и сплавы, а также шарикоподшипниковые стали. Удельный вес последних и теперь достаточно велик. Однако с каждым годом все большее и большее значение приобретает ЭШП дешевых низколегированных конструкционных сталей, преимущественно в виде горячекатаного листа для крупногабаритных сварных конструкций. В настоящее время количество марок сталей ЭШП измеряется многими сотнями. Несмотря на серьезную конкуренцию со стороны других переплавных процессов, достаточно велик сортамент электрошлаковых жаропрочных сталей и сверхсплавов. Непрерывно растет сортамент штамповых и инструментальных сталей ЭШП. Неоспоримы преимущества ЭШП при переплаве ряда сплавов на медной основе, например высокопрочных бронз. Есть основания считать, что потенциальные возможности ЭШП еще далеко не раскрыты и тем более не исчерпаны в применении к высокореакционным и тугоплавким металлам (в США, например, успешно подвергают ЭШП уран, цирконий, молибден, вольфрам).

Уже сегодня объемы производства металла ЭШП измеряются многими сотнями тысяч тонн. К концу нашего столетия это будут уже миллионы тонн. В зависимости от потребностей народного хозяйства страны будет расширяться и сортамент электрошлакового металла.